Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 81084 10.12737/szf-103202412 ДЕВЯТНАДЦАТАЯ ЕЖЕГОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ФИЗИКА ПЛАЗМЫ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ», 5–9 ФЕВРАЛЯ 2024 Г., ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАН, МОСКВА, РОССИЯ 19TH ANNUAL CONFERENCE “PLASMA PHYSICS IN THE SOLAR SYSTEM”. FEBRUARY 5–9, 2024, SPACE RESEARCH INSTITUTE RAS, MOSCOW, RUSSIA ДЕВЯТНАДЦАТАЯ ЕЖЕГОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ФИЗИКА ПЛАЗМЫ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ», 5–9 ФЕВРАЛЯ 2024 Г., ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАН, МОСКВА, РОССИЯ Investigating azimuthal propagation of Pc5 geomagnetic pulsations and their equivalent current vortices from ground-based and satellite data Исследование особенностей азимутального распространения геомагнитных Pс5-пульсаций и их эквивалентных токовых вихрей по данным наземных и спутниковых наблюдений https://orcid.org/0000-0003-1206-8099 Моисеев Алексей Владимирович Moiseev Aleksey Vladimirovich moiseev@ikfia.ysn.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Попов Василий Иванович Popov Vasiliy Ivanovich volts@mail.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0002-2343-1618 Стародубцев Сергей Анатольевич Starodubtsev Sergei Anatolyevich starodub@ikfia.ysn.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН – обособленное подразделение Федерального исследовательского центра «Якутский научный центр СО РАН». Россия Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН – обособленное подразделение Федерального исследовательского центра «Якутский научный центр СО РАН». Russian Federation Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН Якутск Россия Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy SB RAS Yakutsk Russian Federation Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН Якутск Россия Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy SB RAS Yakutsk Russian Federation 29 09 2024 29 09 2024 10 3 104 115 30 03 2024 13 05 2024 https://naukaru.ru/en/nauka/article/81084/view

По фазовым задержкам на пространственно-разнесенных станциях, а также по данным спутниковых наблюдений в магнитосфере в двух событиях исследовалось азимутальное распространение резонансных всплесков геомагнитных пульсаций в диапазоне Pc5. Во время этих событий рассматривается также распространение эквивалентных токовых вихрей. Обнаружено, что пульсации по наблюдениям в магнитосфере и ионосфере, и эквивалентные токовые вихри в ионосфере распространяются в азимутальном направлении с дневной стороны на ночную. Скорости распространения по наземным наблюдениям составляют 5–25 км/с, по спутниковым — 114–236 км/с. Последние не превышают альфвеновскую скорость 620–1006 км/с в магнитосфере. По данным разных приборов на спутнике в одном из событий одновременно присутствуют сигнатуры быстрой магнитозвуковой и альфвеновской волн, что наглядно отображает процесс трансформации этих волн. Геомагнитная широта регистрации центров вихрей совпадает с широтой максимальной амплитуды геомагнитных пульсаций (резонансов силовых линий) и уменьшается на величину ~15° по направлению к ранним часам MLT. Предполагается, что наблюдаемая динамика Pc5- пульсаций и вихрей отражает распространение МГД-волны в магнитосфере.

Using phase delays at spaced stations and satellite observations in the magnetosphere during two events, we have studied azimuthal propagation of resonant bursts of geomagnetic pulsations in the Pc5 range. We have also examined propagation of equivalent current vortices during these events. It has been found that the pulsations, observed in the magnetosphere and ionosphere, and the equivalent current vortices in the ionosphere propagate in the azimuthal direction from the dayside to the nightside. Propagation velocities according to ground-based observations are 5–25 km/s; according to satellite observations, 114–236 km/s. Propagation velocities according to satellite observations do not exceed the Alfvén velocity in the magnetosphere, which is 620–1006 km/s. According to data from various instruments, there are signatures of fast magnetosonic and Alfvén waves at a time in one of the events on the satellite. This clearly reflects the transformation of these waves. The geomagnetic latitude of registration of vortex centers coincides with the latitude of the maximum amplitude of geomagnetic pulsations (field line resonances) and decreases by ~15° toward the early hours of MLT. The observed dynamics of Pc5 pulsations and vortices is assumed to reflect MHD wave propagation in the magnetosphere.

 геомагнитные Pc5-пульсации эквивалентные токовые вихри азимутальное распространение волновые возмущения в параметрах плазмы и геомагнитном поле в диапазоне Pc5 в магнитосфере geomagnetic Pc5 pulsations equivalent current vortices azimuthal propagation wave disturbances in plasma parameters and geomagnetic field in Pc5 pulsations in the magnetosphere Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации The work was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation

Клибанова Ю.Ю., Мишин В.В., Цэгмэд Б. и др. Свойства дневных длиннопериодных пульсаций во время начала магнитной бури. Геомагнетизм и аэрономия. 2016. Т. 56, № 4. C. 457‒471. Alken P., Thébault E., Beggan C.D., Amit H., Aubert Baerenzung, J. Bondar T.N., et al. International Geomagnetic Reference Field: the thirteenth generation. Earth Planets Space. 2021, vol. 73, no. 49. DOI: 10.1186/s40623-020-01288-x. Макаров Г.А., Соловьев С.И., Енгебретсон М., Юмото К. Азимутальное распространение геомагнитного внезапного импульса в высоких широтах при резком спаде плотности солнечного ветра 15 декабря 1995 г. Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т. 42, № 1. С. 42–50. Allan W., White S.P., Poulter E.M. Impulse-excited hydromagnetic cavity and field-line resonances in the magnetosphere. Planet. Space Sci. 1986, vol. 34, pp. 371‒385. DOI: 10.1016/0032-0633(86)90144-3. Мишин В.В., Матюхин Ю.Г. Неустойчивость Кельвина—Гельмгольца на магнитопаузе как возможный источник волновой энергии в магнитосфере Земли. Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т. 26, № 6. С. 952‒957. Amm O., Engebretson M.J., Hughes T., Newitt L., Viljanen A., Watermann J. A Traveling convection vortex event study: Instantaneous ionospheric equivalent currents estimation of field-aligned currents and the role of induced currents. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, no. A11, p. 1334. DOI: 10.1029/2002JA009472. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры. М.: Сов. радио, 1980. 224 с. Chelpanov M.A., Anfinogentov S.A., Kostarev D.V., Mikhailova O.S., Rubtsov A.V., Fedenev V.V., Chelpanov A.A. Review and comparison of MHD wave characteristics at the Sun and in Earth’s magnetosphere. Solar-Terr. Phys. 2022, vol. 8, iss. 4, pp. 3–27. DOI: 10.12737/stp-84202201. Чинкин В.Е., Соловьев А.А., Пилипенко В.А. Выделение вихревых токовых структур в ионосфере и оценка их параметров по наземным магнитным данным. Геомагнетизм и аэрономия. 2020. Т. 60, № 5. С. 588–599. Chen L., Hasegawa A. A theory of long-period magnetic pulsations: 1. Steady state excitation of field line resonance. J. Geophys. Res. 1974, vol. 79, no. 7, pp. 1024‒1032. DOI: 10.1029/ JA079i007p01024. Alken P., Thébault E., Beggan C.D., et al. International Geomagnetic Reference Field: the thirteenth generation. Earth Planets Space. 2021. Vol. 73, no. 49. DOI: 10.1186/s40623-020-01288-x. Chinkin V.E., Soloviev A.A., Pilipenko V.A. Identification of Vortex Currents in the Ionosphere and Estimation of Their Parameters Based on Ground Magnetic Data. Geomagnetism and Aeronomy. 2020, vol. 60, no. 5. pp. 559‒569. DOI: 10.1134/S0016793220050035. Allan W., White S.P., Poulter E.M. Impulse-excited hydromagnetic cavity and field-line resonances in the magnetosphere. Planet. Space Sci. 1986. Vol. 34. P. 371‒385. DOI: 10.1016/0032-0633(86)90144-3. Dmitriev A.V., Suvorova A.V. Atmospheric Effects of Magnetosheath. Jets. Atmosphere. 2023, vol. 14, iss. 1, p. 45. DOI: 10.3390/atmos14010045. Amm O., Engebretson M.J., Hughes T., et al. A traveling convection vortex event study: Instantaneous ionospheric equivalent currents estimation of field-aligned currents and the role of induced currents. J. Geophys. Res. 2002. Vol. 107, no. A11. P. 1334. DOI: 10.1029/2002JA009472. Friis-Christensen E.S., McHenry M.A., Clauer C.R., Vennerstrøm S. Ionospheric traveling convection vortices observed near the polar cleft-A triggered response to sudden changes in the solar wind. Geophys. Res. Lett. 1988, vol. 15, iss.3, pp. 253–256. DOI: 10.1029/GL015i003p00253. Chelpanov M.A., Anfinogentov S.A., Kostarev D.V., et al. Review and comparison of MHD wave characteristics at the Sun and in Earth’s magnetosphere. Solar-Terr. Phys. 2022. Vol. 8, iss. 4. P. 3–27. DOI: 10.12737/stp-84202201. Gjerloev J.W. The SuperMAG data processing technique. J. Geophys. Res. 2012, vol. 117, no. A09213. DOI: 10.1029/ 2012JA017683. Chen L., Hasegawa A. A theory of long-period magnetic pulsations: 1. Steady state excitation of field line resonance. J. Geophys. Res. 1974. Vol. 79, no. 7. P. 1024‒1032. DOI: 10.1029/ JA079i007p01024. Glassmeier K.-H. Traveling magnetospheric convection twin-vortices: Observations and theory. Ann. Geophys. 1992, vol. 10, p. 547. Dmitriev A.V., Suvorova A.V. Atmospheric Effects of Magnetosheath. Jets. Atmosphere. 2023. Vol. 14, iss. 1. P. 45. DOI: 10.3390/atmos14010045. Glassmeier K.-H., Othmer C., Gramm R., Stellmacher M., Engebretson M. Magnetospheric field-line resonances: A comparative planetology approach. Earth Environment Sci. 1999, vol. 20, pp. 61–109. Friis-Christensen E.S., McHenry M.A., C.R. Clauer, Vennerstrøm S. Ionospheric traveling convection vortices observed near the polar cleft-A triggered response to sudden changes in the solar wind. Geophys. Res. Lett. 1988. Vol. 15, iss.3. P. 253–256. DOI: 10.1029/GL015i003p00253. Hemming R.V. Digital filters. M.: Sov.radio. 1980, 224 p. (In Russian). Gjerloev J.W. The SuperMAG data processing technique. J. Geophys. Res. 2012. Vol. 117. no. A09213. DOI: 10.1029/ 2012JA017683. Kakad A.P., Lakhina G.S., Singh S.V. A shear flow instability in plasma sheet region. Planet Space Sci. 2003, vol. 51, p. 177. Glassmeier K.-H. Traveling magnetospheric convection twin vortices: Observations and theory. Ann. Geophys. 1992. Vol. 10. P. 547. Klibanova Y.Y., Mishin V.V., Tsegmeda B., Moiseev A.V. Properties of daytime long-period pulsations during magnetospheric storm commencement. Geomagnetism and Aeronomy. 2016, vol. 56, no. 4, pp. 426–440. DOI: 10.1134/S0016793 216040071. Glassmeier K.-H., Othmer C., Gramm R., et al. Magnetospheric field-line resonances: A comparative planetology approach. Earth Environment Sci. 1999. Vol. 20. P. 61–109. Korotova G.I., Sibeck D.G., Singer H.J., Rosenberg T.J., Engebretson M.J. Interplanetary magnetic field control of dayside transient event occurrence and motion in the ionosphere and magnetosphere. Ann. Geophys. 2004, vol. 22, pp. 4197–4202. Kakad A.P., Lakhina G.S., Singh S.V. A shear flow instability in plasma sheet region. Planet Space Sci. 2003. Vol. 51. P. 177. Korotova G., Sibeck D., Engebretson M., Balikhin M., Thaller S., Kletzing C. Spence H., Redmon R. Multipoint observations of compressional Pc 5 pulsations in the dayside magnetosphere and corresponding particle signatures. Ann. Geophys. 2020, vol. 38, pp. 1267–1281. DOI: 10.5194/angeo-38-1267-2020. Korotova G.I., Sibeck D.G., Singer H.J., et al. Interplanetary magnetic field control of dayside transient event occurrence and motion in the ionosphere and magnetosphere. Ann. Geophys. 2004. Vol. 22. P. 4197–4202. Lühr H.M., Lockwood P.E., Sandholt T.L., Hansen T. Multi-instrument ground-based observations of a travelling convection vortices event. Ann. Geophys. 1996, vol. 14, no. 2, pp. 162–181. Korotova G., Sibeck D., Engebretson M., et al. Multipoint observations of compressional Pc5 pulsations in the dayside magnetosphere and corresponding particle signatures. Ann. Geophys. 2020. Vol. 38. P. 1267–1281. DOI: 10.5194/angeo-38-1267-2020. Maffei S., Eggington J.W.B., Livermore P.W., Mound J.E., Sanchez S., Eastwood J.P., Freeman M.P. Climatological predictions of the auroral zone locations driven by moderate and severe space weather events. Scientific Rep. 2023, vol. 13, p. 779. DOI: 10.1038/s41598-022-25704-2. Lühr H.M., Lockwood P.E., Sandholt T.L., Hansen T. Multi-instrument ground-based observations of a travelling convection vortices event. Ann. Geophys. 1996. Vol. 14, no. 2. P. 162–181. Makarov G.A., Solovyev S.I., Engebretson M., Yumoto K. Azimuth propogation of geomagnetic sudden pulse in high latitudes at the December 15, 1995 sharp decrease in a solar wind density. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2002, vol. 42, no.1, pp. 42–50. (In Russian). Maffei S., Eggington J.W.B., Livermore P.W., et al. Climatological predictions of the auroral zone locations driven by moderate and severe space weather events. Scientific Rep. 2023. Vol. 13. P. 779. DOI: 10.1038/s41598-022-25704-2. Mann I.R., Voronkov I., Dunlop M., Donovan E., Yeoman T.K., Milling D.K., Wild J., Kauristie K., Amm O., Bale S.D., Balogh A., Viljanen A., Opgenoorth H.J. Coordinated ground-based and Cluster observations of large amplitude global magnetospheric oscillations during a fast solar wind speed interval. Ann. Geophys. 2002, vol. 20, pp. 405‒426. DOI: 10.5194/angeo-20-405-2002. Mann I.R., Voronkov I., Dunlop M., et al. Coordinated ground-based and Cluster observations of large amplitude global magnetospheric oscillations during a fast solar wind speed interval. Ann. Geophys. 2002. Vol. 20. P. 405‒426. DOI: 10.5194/angeo-20-405-2002. DOI: 10.5194/angeo-20-405-2002. Mazur V.A., Leonovich A.S. ULF hydromagnetic oscillations with the discrete spectrum as eigenmodels of MHD-resonator in the near-Eath part of the plasma sheet. Ann. Geophys. 2006, vol. 24, no. 6, pp. 1639–1648. Mazur V.A., Leonovich A.S. ULF hydromagnetic oscillations with the discrete spectrum as eigenmodels of MHD-resonator in the near-Earth part of the plasma sheet. Ann. Geophys. 2006. Vol. 24, no. 6. P. 1639–1648. Mishin V.V., Matiukhin Iu.G. Kelvin-Helmholtz instability in the magnetopause as a possible sourceof wave energy in the earth's magnetosphere. Geomagnetizm i Aeronomiia. 1986, vol. 26, pp. 952–957. (In Russian). Motoba T., Kikuchi T., Lühr H., et al. Global Pc5 caused by a DP2-type ionospheric current system. J. Geophys. Res. 2002. Vol. 107. P. 1032–1047. DOI: 10.1029/2001JA900156. Motoba T., Kikuchi T., Lühr H., Tachihara H., Kitamura T.I., Hayash K. Global Pc 5 caused by a DP2-type ionospheric current system. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, pp. 1032–1047. DOI: 10.1029/2001JA900156. Oliveira D.M., Hartinger M.D., Xu Z., et al. Interplanetary shock impact angles control magnetospheric ULF wave activity: Wave amplitude, frequency, and power spectra. Geophys. Res. Lett. 2020. Vol. 47. P. 1–11. DOI: 10.1029/2020GL090857. Oliveira D.M., Hartinger M.D., Xu Z., Zesta E., Pilipenko V.A., Giles B.L., Silveira M.V.D. Interplanetary shock impact angles control magnetospheric ULF wave activity: Wave amplitude, frequency, and power spectra. Geophys. Res. Lett. 2020, vol. 47, pp. 1–11. DOI: 10.1029/2020GL090857. Saito T. Geomagnetic pulsations. Space Sci. Rev. 1969. Vol. 10, iss. 3. P. 319–412. Saito T. Geomagnetic pulsations. Space Sci. Rev. 1969, vol. 10, iss. 3, pp. 319–412. Saito T. Long-period irregular magnetic pulsation Pi3. Space Sci. Rev. 1978. Vol. 21. P. 427–467. DOI: 10.1007/BF00173068. Saito T. Long-period irregular magnetic pulsation Pi3. Space Sci. Rev. 1978, vol. 21, pp. 427–467. DOI: 10.1007/BF00173068. Southwood D.J. Some features of field line resonances in the magnetosphere. Planet. Space Sci. 1974. Vol. 22. P. 483‒491. Southwood D.J. Some features of field line resonances in the magnetosphere. Planet. Space Sci. 1974, vol. 22, pp. 483‒491. Tsyganenko N.A., Sitnov M.I. Modeling the dynamics of the inner magnetosphere during strong geomagnetic storms. J. Geophys. Res. 2005. Vol. 110. A03208. DOI: 10.1029/2004 JA010798. Tsyganenko N.A., Sitnov M.I. Modeling the dynamics of the inner magnetosphere during strong geomagnetic storms. J. Geophys. Res. 2005, vol. 110, A03208. DOI: 10.1029/2004 JA010798. Vanhamäki H., Juusola L. Introduction to Spherical Elementary Current Systems. Ionospheric Multi-Spacecraft Analysis Tools. 2020. Vol. 17. P. 5–33. DOI: 10.1007/978-3-030-26732-2_13. Vanhamäki H., Juusola L. Introduction to Spherical Elementary Current Systems. Ionospheric Multi-Spacecraft Analysis Tools. 2020, vol. 17, pp. 5–33. DOI: 10.1007/978-3-030-26732-2_13. Wright A.N. Dispersion and wave coupling in inhomogeneous MHD waveguides. J. Geophys. Res. 1994. Vol. 99. P. 159‒167. DOI: 10.1029/93JA02206. Wright A.N. Dispersion and wave coupling in inhomogeneous MHD waveguides. J. Geophys. Res. 1994, vol. 99, pp. 159‒167. DOI: 10.1029/93JA02206. Yahnin A., Moretto T. Travelling convection vortices in the ionosphere map to the central plasma sheet. Ann. Geophys. 1996. Vol. 14. P. 1025–1031. DOI: 10.1007/s00585-996-1025-3. Yahnin A., Moretto T. Travelling convection vortices in the ionosphere map to the central plasma sheet. Ann. Geophys. 1996, vol. 14, pp. 1025–1031. DOI: 10.1007/s00585-996-1025-3. Zhang W., Nishimura Y., Wang B., et al. Identifying the structure and propagation of dawnside Pc5 ULF waves using space-ground conjunctions. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2022. Vol. 127, no. 12. P. e2022JA030473. DOI: 10.1029 2022JA030473. Zhang W., Nishimura Y., Wang B., Hwang K.-J., Hartinger M. D., Donovan E. F. Identifying the structure and propagation of dawnside Pc5 ULF waves using space-ground conjunctions. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2022, vol. 127, no. 12, p. e2022JA030473. DOI: 10.1029 2022JA030473. Zesta E., Hughes W.J., Engebretson M.J. A statistical study of traveling convection vortices using the Magnetometer Array for Cusp and Cleft Studies. J. Geophys. Res. 2002. Vol. 107. P. 18.1‒18.21. DOI: 10.1029/1999JA000386. Zesta E., Hughes W.J., Engebretson M.J. A statistical study of traveling convection vortices using the Magnetometer Array for Cusp and Cleft Studies. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, pp. 18.1‒18.21. DOI: 10.1029/1999JA000386. URL: http://supermag.jhuapl.edu/mag (дата обращения 22 марта 2024 г.). URL: http://supermag.jhuapl.edu/mag (accessed March 22, 2024). URL: http://cdaweb.gsfc.nasa.gov (дата обращения 22 марта 2024 г.). URL: http://cdaweb.gsfc.nasa.gov (accessed March 22, 2024). URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-26732-2_2#Sec18 (дата обращения 22 марта 2024 г.). URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-26732-2_2#Sec18 (accessed March 22, 2024). URL: https://www.mathworks.com/help/signal/ref/findpeaks.html (дата обращения 22 марта 2024 г.). URL: https://www.mathworks.com/help/signal/ref/findpeaks.html (accessed March 22, 2024).